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熱敏電阻(NTC)的基本參數(shù)及其應(yīng)用
日期:2024-10-29 06:05
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摘要:
熱敏電阻(NTC)的基本參數(shù)及其應(yīng)用
1 NTC的術(shù)語及主要參數(shù)
然而,需要引起注意的是不少廠家提供的δ值是NTC二次封裝之前參數(shù),但采用這個δ參數(shù)確定的電流雖然不會產(chǎn)生自熱,但是過于保守,影響選擇參數(shù)的寬松度,因為二次封裝之后的非自熱*大功率已經(jīng)提高。利用耗散系數(shù)確定電流范圍的方法是先確定NTC精度,再確定允許的自熱功耗。例如,NTC的精度為0.1℃,則自熱溫度不超過0.1℃就能夠滿足精度要求,也就是說,小于0.1δ的功率為不產(chǎn)生自熱的功率。
1 NTC的術(shù)語及主要參數(shù)
在家電開發(fā)研制領(lǐng)域里,工程人員在運用熱敏電阻的過程中,有時對一些主要參數(shù)的細節(jié)產(chǎn)生歧義,原因之一是某些參數(shù)的定義和內(nèi)容缺乏統(tǒng)一的標準和規(guī)范。隨著國家標準《直熱式負溫度系數(shù)熱敏電阻器(**部分:總規(guī)范)》GB/T6663.1-2007/IEC60539-1:2002(以下簡稱“國標”)的實施(07年9月1日),情況開始有所改變。國內(nèi)熱敏電阻器生產(chǎn)家都應(yīng)當按照“國標”標注熱敏電阻的參數(shù),使用者也可以根據(jù)“國標”向廠家索取熱敏電阻的參數(shù)。
熱敏電阻器是一種隨(感應(yīng))溫度的變化其電阻值呈顯著變化的熱敏感半導(dǎo)體元件。溫度升高時阻值下降的熱敏電阻器,稱為負溫度系數(shù)熱敏電阻器(NTC)。家電領(lǐng)域里大量使用的是NTC。
自熱:當我們對NTC進行測量和運用時總會通過一定量的電流,這一電流使NTC自身產(chǎn)生熱量。NTC的自熱會導(dǎo)致其阻值下降,在測量及應(yīng)用過程中出現(xiàn)動態(tài)變化,所以控制自熱是運用NTC的關(guān)鍵。當NTC用于溫度測量時,應(yīng)當盡量避免自熱;當NTC用于液位或風速測量時,則需要利用自熱。
零功率電阻:定義見“國標”(2.2.18)。零功率電阻是熱電阻器*基本的參數(shù),廠家給出的熱敏電阻器的阻值都屬于零功率,,但“零功率”一詞容易使人費解(因為物理含義上的零功率檢測是不存在的),所以,理解它的工程含義是定義中后一句的內(nèi)容“……自熱導(dǎo)致的電阻值變化相對于總的測量誤差可以忽略不計”。通常,對NTC的零功率測量是在恒溫槽中進行,影響總的測量誤差有二個主要因素:一是通過NTC的電流,一是恒溫槽精度。一般說來,減少通過NTC的電流的方法比較多,一旦電流下降到一定程度,影響總誤差的往往是恒溫槽的精度。
環(huán)境溫度變化引起的熱時間常數(shù)(τa):一般情況下,NTC在穩(wěn)定的室溫條件下,迅速進入設(shè)定(和要求介質(zhì))的溫度環(huán)境內(nèi),測量其溫度上升規(guī)定幅度T?所需要的時間。溫度T?的上升幅度為室溫Ta至設(shè)定溫度Tb差值的63.2%所需的時間。τa反映NTC在測量溫度時的響應(yīng)速度。
耗散系數(shù)(δ):使NTC的溫度上升1K所消耗的功率稱為耗散系數(shù)?!皣鴺恕?.10.2給出的δ計算方法如下:
δ=U TH·I TH /(T b- T a) W /℃
式中: U TH為NTC的端電壓; I TH 為流過NTC的電流;T b為自熱穩(wěn)定溫度;T a 為室內(nèi)溫度。
可見,NTC溫度的上升指的是自熱溫度。從另外一個角度看,自熱造成的溫升可以利用δ計算出來。
例如:已知δ為0.1 W /℃,測量U TH·I TH為0.5 W,則:
?。═ b- T a)=U TH·I TH /δ ℃=0.5 /0.1 ℃=5 ℃
自熱使NTC高于環(huán)境溫度5℃。
2 影響測量溫度的參數(shù)
NTC
具有價格低廉、阻值隨溫度變化顯著的特點,而廣泛用于溫度測量。通常采用一只精密電阻與NTC串聯(lián)(見圖1),NTC阻值的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷鹤兓苯舆M入比較電路或單片機的A/D的輸入接口,不必經(jīng)過放大處理,電路構(gòu)成極為簡單。運用NTC時除了選擇合適的R值和B值之外,還應(yīng)當考慮到測量速度和精度。
選擇合適的τa:τa值直接反映NTC測量溫度的響應(yīng)速度,但不是越小越好,確定τa值需要比較與權(quán)衡。因為τa值與它的封裝尺寸有關(guān),NTC的封裝尺寸小,則τa值小,機械強度低;封裝尺寸大,則τa值大,機械強度高。
確定電流范圍:可根據(jù)廠家提供的非自熱*大功率或利用耗散系數(shù)來確定工作電流的范圍。、
其它需要注意的因素:①NTC二次封裝之后,τa的參數(shù)值較封裝之前增大了。②同一型號、規(guī)格的NTC在不同介質(zhì)中,其δ、τa等參數(shù)值相差很大,需注意參數(shù)的介質(zhì)。③在流動的空氣中,NTC略為產(chǎn)生一點自熱對精度的影響不大。④NTC感溫頭不能觸碰非探測物體,例如,在家用空調(diào)器里,翅片前面測量室溫的感溫頭不能觸碰到翅片。
3 自熱及耗散系數(shù)的特性
測量耗散系數(shù)δ時,“國標”要求在靜止的空氣中進行。通常是在規(guī)定容器的玻璃框罩內(nèi)進行測量。當我們做實驗時可以觀察到一些現(xiàn)象,在一個空氣相對穩(wěn)定(感覺不到流動的空氣)的室內(nèi),玻璃框內(nèi)的溫度與室溫一致。先測量零功率電阻值,當摘掉玻璃框罩后,電阻值未發(fā)生變化;然后測量耗散系數(shù),當自熱達到熱平衡時,即通過NTC的電流和它的端電壓呈穩(wěn)定狀態(tài),當摘掉玻璃框罩后,電流或端電壓出現(xiàn)波動,失去穩(wěn)定狀態(tài)。說明室內(nèi)微弱的同溫度氣流影響了耗散系數(shù),而未影響零功率電阻值。顯然,NTC產(chǎn)生自熱之后出現(xiàn)對流動空氣的敏感反映,這是一個可以利用的特性。
4液位測量原理
氣體和液體是明顯不同的介質(zhì),運用NTC在對它們進行測量時,如果可以分辨出這兩種介質(zhì),就解決了液位測量的問題。NTC在非自熱狀態(tài)也就是零功率狀態(tài)下測量溫度時,是無法根據(jù)測量結(jié)果判斷被測對象的是什么介質(zhì)。當NTC處于自熱狀態(tài)時,在介質(zhì)溫度相同的情況下,NTC在不同的介質(zhì)中耗散系數(shù)(δ)是不同的,當NTC被置于不同的介質(zhì)中時,相同電氣條件下會出現(xiàn)不同的電性能反映,這是測量液位的基本依據(jù)。
以相同溫度的水和空氣為例,在同一電氣條件下,例如給NTC提供一個恒定電流(見圖2),使其在空氣中產(chǎn)生自熱,熱平衡之后NTC兩端電壓相對穩(wěn)定,接著,將它放入水中,兩端電壓上升。因為NTC從空氣中進入水中后,溫度下降,導(dǎo)致阻值上升,端電壓升高。水的熱容量是空氣的2.5倍,NTC在水中的自熱溫度要達到與空氣一樣的自熱溫度需要2.5倍的功率。
在實際的液位測量中,水和空氣的溫度往往不一致,當空氣溫度偏低,而水溫偏高時,根據(jù)電壓值的大小則無法判斷NTC是在水中還是在空氣中。然而,對于一個溫度點而言,NTC在水中和空氣中分別有個兩電壓值,換言之,當我們知道一個溫度點,同時又預(yù)先知道這個溫度點上水和空氣分別的電壓值,就可以根據(jù)所測量到的電壓值判斷NTC是在水中還是在空氣中。也就是說,測量液位的過程中還必須同時測量溫度,而一般情況下,NTC在自熱狀態(tài)下不能測量溫度,這就需要增加一個測量溫度的NTC。利用兩只NTC,一只處于非自熱狀態(tài),另一只處于自熱狀態(tài),經(jīng)過電子電路的處理就可以對水位進行測量了。同理,其它氣體和液體介質(zhì)的液位測量的問題都可以得到解決。
需要指出,設(shè)計液位測量電路需要完成一些基礎(chǔ)性的工作,原因是不同電路的NTC所處于的自熱狀態(tài)不一定一樣,需要通過試驗或計算獲取測量溫度范圍內(nèi)每個溫度點上兩種介質(zhì)的電氣參數(shù),為兩個對應(yīng)系列。通常,先明定測量方案,再確定電路,然后根據(jù)電路要求測量或計算出每個溫度條件下兩種介質(zhì)的數(shù)據(jù)。有時模擬電路需要繪制出NTC在兩種介質(zhì)的溫度電壓曲線(同一溫度參照系中的曲線),而數(shù)字及單片機電路需要對兩種介質(zhì)的電氣參數(shù)列表。
5風速測量原理
根據(jù)上述對耗散系數(shù)δ測量的描述,NTC處于自熱狀態(tài)中對空氣流動表現(xiàn)的敏感性,表明它具有測量風速的潛力。在同一溫度和電氣條件下,例如在穩(wěn)定的室溫環(huán)境下,給NTC提供一個產(chǎn)生自熱的恒定電流(見圖二)。首先將NTC置于靜止空氣中,此時端電壓*小,然后將風速由小到大逐漸增加,相應(yīng)地,端電壓逐漸升高。因為流動的空氣使NTC的自熱溫度下降,阻值增加,空氣流速越大,溫度下降越明顯,阻值增加更顯著,反過來,當我們知道NTC自熱下降的程度(端電壓值的大?。┚涂梢灾里L速的大小,這就是NTC測量風速的基本原理。
實際測量時空氣的溫度是不同的,因為空氣溫度的下降也會導(dǎo)致自熱溫度的下降,所以測量風速的時候同時要測量空氣溫度。一旦知道空氣溫度,同時又知道在這一溫度條件下隨風速增加而自熱溫度下降的參數(shù)(端電壓值的大?。?jīng)過對這兩個數(shù)據(jù)的處理就就可以完成對風速的測量。
與液位測量一樣,風速測量也要完成一些基礎(chǔ)工作。不過,風速測量的基礎(chǔ)或計算工作量比液位測量要多許多倍,液位測量只需獲取兩種介質(zhì)不同溫度下的參數(shù),也就是兩組數(shù)據(jù),而風速測量必需獲取測量(風速、溫度)范圍內(nèi)的每個溫度點上不同風速的數(shù)據(jù),為一個族系列。
6其他的應(yīng)用
NTC
除了用于溫度測量之外,測量液位和風速也有許多可比優(yōu)勢,具有取代其它測量及控制方式的潛力。
關(guān)于NTC在水位測量上的一個應(yīng)用實例見《家電科技》雜志2008年第21期中有詳細介紹,(在此不再贅述)。其它象熱水壺、咖啡壺、加濕器等家電的缺水報警都可以考慮采用NTC的液位測量技術(shù)。
NTC
還可以廣泛應(yīng)在測量風速及風量的場所,特點是不僅價格低廉,而且電路結(jié)構(gòu)極為簡單。例如:①家用空調(diào)器的過濾網(wǎng)除塵提示。安裝在出風口的NTC檢測風速,當檢測到的風速與風量擋位的風速相比降低到了規(guī)定的幅度,提示用戶清潔過濾網(wǎng);②同樣的思路也可以實現(xiàn)吸塵器的除塵提示;③燃氣熱水器的排風監(jiān)測。當NTC檢測到排風停止(或被堵)的故障時,切斷氣源及報警;④冷氣計量,對集中冷氣供應(yīng)系統(tǒng)進行單獨計量,出風口安裝的NTC計量風速(再考慮風口面積、平均風速等因素),能夠?qū)崿F(xiàn)集中供冷分別計費。